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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-10-12
(45)【発行日】2023-10-20
(54)【発明の名称】電子源、電子銃、及び荷電粒子線装置
(51)【国際特許分類】
H01J 37/065 20060101AFI20231013BHJP
H01J 37/073 20060101ALN20231013BHJP
【ＦＩ】
H01J37/065
H01J37/073
【請求項の数】
12
(21)【出願番号】P 2022533272
(86)(22)【出願日】2020-06-29
(86)【国際出願番号】 JP2020025496
(87)【国際公開番号】W WO2022003770
(87)【国際公開日】2022-01-06
【審査請求日】2022-08-25
(73)【特許権者】
【識別番号】501387839
【氏名又は名称】株式会社日立ハイテク
(74)【代理人】
【識別番号】110000350
【氏名又は名称】ポレール弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】糟谷 圭吾
(72)【発明者】
【氏名】石川 修平
(72)【発明者】
【氏名】谷本 憲史
(72)【発明者】
【氏名】土肥 隆
(72)【発明者】
【氏名】松永 宗一郎
(72)【発明者】
【氏名】森田 裕
(72)【発明者】
【氏名】米須 大吾
(72)【発明者】
【氏名】宮田 健治
【審査官】右▲高▼ 孝幸
(56)【参考文献】
【文献】特開２００７－２５０４９１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－２０４３４２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２００３－５１３４０７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２００９－５４１９６６（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｊ ３７／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
中心軸に沿った方向における一方の端部に開口部を持つサプレッサ電極と、前記開口部から先端が突き出した電子放出材とを有し、
前記サプレッサ電極は、
前記開口部よりも外周方向の位置に、前記中心軸に沿った方向において前記サプレッサ電極の前記端部よりも前記電子放出材の前記先端から遠ざかる位置に後退した後退部をさらに備え、
前記後退部の少なくとも一部は、前記開口部の中心から直径２８１０μｍ以内に配置され、
前記後退部は、前記中心軸に垂直な面となす角度が少なくとも二つ以上の異なる角度をもつテーパー部を備えることを特徴とする電子源。
【請求項2】
中心軸に沿った方向における一方の端部に開口部を持つサプレッサ電極と、
前記開口部から先端が突き出した電子放出材とを有し、
前記サプレッサ電極は、
前記開口部よりも外周方向の位置に、前記中心軸に沿った方向において前記サプレッサ電極の前記端部よりも前記電子放出材の前記先端から遠ざかる位置に後退した後退部をさらに備え、
前記後退部の少なくとも一部は、前記開口部の中心から直径２８１０μｍ以内に配置され、
前記後退部は前記中心軸に垂直な面と角度θをなすテーパー部を備え、
前記テーパー部の少なくとも一部は、前記開口部の前記中心から直径Ｌ以内に配置され、
前記直径Ｌと前記角度θは、
前記直径Ｌは単位をμｍとし、前記角度θは単位を度（°）として、
２．４０×１０－７×Ｌ２＋３．１８×１０－４×Ｌ－４．０８×１０－１≦ｌｏｇθ≦６．６８×１０－７×Ｌ２－２．６８×１０－４×Ｌ＋１．０８の関係を満たすことを特徴とする電子源。
【請求項3】
中心軸に沿った方向における一方の端部に開口部を持つサプレッサ電極と、
前記開口部から先端が突き出した電子放出材とを有し、
前記サプレッサ電極は、
前記開口部よりも外周方向の位置に、前記中心軸に沿った方向において前記サプレッサ電極の前記端部よりも前記電子放出材の前記先端から遠ざかる位置に後退した後退部をさらに備え、
前記後退部の少なくとも一部は、前記開口部の中心から直径２８１０μｍ以内に配置され、
前記後退部の少なくとも一部は、前記開口部の前記中心から直径Ｌ以内に配置され、
前記電子放出材は、前記開口部から長さＴ突き出され、
前記直径Ｌと前記長さＴは、前記直径Ｌ及び前記長さＴの単位をいずれもμｍとして、
Ｌ＝３．５３Ｔ＋１６０７の関係を満たすことを特徴とする電子源。
【請求項4】
中心軸に沿った方向における一方の端部に開口部を持つサプレッサ電極と、
前記開口部から先端が突き出した電子放出材とを有し、
前記サプレッサ電極は、
前記開口部よりも外周方向の位置に、前記中心軸に沿った方向において前記サプレッサ電極の前記端部よりも前記電子放出材の前記先端から遠ざかる位置に後退した後退部をさらに備え、
前記後退部の少なくとも一部は、前記開口部の中心から直径２８１０μｍ以内に配置され、
前記後退部は前記中心軸に垂直な面と角度θをなすテーパー部を備え、
前記テーパー部の少なくとも一部は、前記開口部の前記中心から直径Ｌ以内に配置され、
前記電子放出材は、前記開口部から突き出した長さが２００μｍよりも小さく、
前記直径Ｌと前記角度θは、
前記直径Ｌは単位をμｍとし、前記角度θは単位を度（°）として、
２．６９×１０－７×Ｌ２＋３．６４×１０－４×Ｌ－２．２１×１０－２≦ｌｏｇθ≦１．２７×１０－６×Ｌ２－４．１８×１０－４×Ｌ＋１．４５の関係を満たすことを特徴とする電子源。
【請求項5】
中心軸に沿った方向における一方の端部に開口部を持つサプレッサ電極と、
前記開口部から先端が突き出した電子放出材とを有し、
前記サプレッサ電極は、
前記開口部よりも外周方向の位置に、前記中心軸に沿った方向において前記サプレッサ電極の前記端部よりも前記電子放出材の前記先端から遠ざかる位置に後退した後退部をさらに備え、
前記後退部の少なくとも一部は、前記開口部の中心から直径２８１０μｍ以内に配置され、
前記後退部は前記中心軸に垂直な面と角度θをなすテーパー部を備え、
前記テーパー部の少なくとも一部は、前記開口部の前記中心から直径Ｌ以内に配置され、
前記電子放出材は、前記開口部から突き出した長さが３００μｍよりも大きく、
前記直径Ｌと前記角度θは、
前記直径Ｌは単位をμｍとし、前記角度θは単位を度（°）として、
２．５９×１０－７×Ｌ２＋１．８２×１０－４×Ｌ－６．０４×１０－１≦ｌｏｇθ≦５．１５×１０－７×Ｌ２－２．２９×１０－４×Ｌ＋８．１０×１０－１の関係を満たすことを特徴とする電子源。
【請求項6】
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の電子源を備えることを特徴とする電子銃。
【請求項7】
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の電子源または請求項６に記載の電子銃を備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項8】
中心軸に沿った方向における一方の端部に開口部を持つサプレッサ電極と、前記開口部から先端が突き出した電子放出材とを有し、
前記サプレッサ電極は、
前記開口部よりも外周方向の位置に、前記中心軸に沿った方向において前記サプレッサ電極の前記端部よりも前記電子放出材の前記先端から遠ざかる位置に後退した後退部をさらに備え、
前記後退部は、前記中心軸に垂直な面となす角度が少なくとも二つ以上の異なる角度をもつテーパー部を備えることを特徴とする電子源。
【請求項9】
中心軸に沿った方向における一方の端部に開口部を持つサプレッサ電極と、前記開口部から先端が突き出した電子放出材とを有し、
前記サプレッサ電極は、
前記開口部よりも外周方向の位置に、前記中心軸に沿った方向において前記サプレッサ電極の前記端部よりも前記電子放出材の前記先端から遠ざかる位置に後退した後退部をさらに備え、
前記後退部は前記中心軸に垂直な面と角度θをなすテーパー部を備え、
前記テーパー部の少なくとも一部は、前記開口部の中心から直径Ｌ以内に配置され、
前記直径Ｌと前記角度θは、
前記直径Ｌは単位をμｍとし、前記角度θは単位を度（°）として、
２．４０×１０－７×Ｌ２＋３．１８×１０－４×Ｌ－４．０８×１０－１≦ｌｏｇθ≦６．６８×１０－７×Ｌ２－２．６８×１０－４×Ｌ＋１．０８の関係を満たすことを特徴とする電子源。
【請求項10】
中心軸に沿った方向における一方の端部に開口部を持つサプレッサ電極と、前記開口部から先端が突き出した電子放出材とを有し、
前記サプレッサ電極は、
前記開口部よりも外周方向の位置に、前記中心軸に沿った方向において前記サプレッサ電極の前記端部よりも前記電子放出材の前記先端から遠ざかる位置に後退した後退部をさらに備え、
前記後退部の少なくとも一部は、前記開口部の中心から直径Ｌ以内に配置され、
前記電子放出材は、前記開口部から長さＴ突き出され、
前記直径Ｌと前記長さＴは、前記直径Ｌ及び前記長さＴの単位をいずれもμｍとして、
Ｌ＝３．５３Ｔ＋１６０７の関係を満たすことを特徴とする電子源。
【請求項11】
請求項８から１０のいずれか一項に記載の電子源を備えることを特徴とする電子銃。
【請求項12】
請求項８から１０のいずれか一項に記載の電子源または請求項１１に記載の電子銃を備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は試料に照射される電子線を供給する電子源、電子銃、及びそれを用いた荷電粒子線装置に関する。
【背景技術】
【0002】
荷電粒子線装置は、電子源及び電子銃から放出される電子線、電子線をＸ線源のターゲットに当てて放出されるＸ線、または、イオン源から放出されるイオン線を試料に照射し、試料に加工を行ったり、試料から放出される二次電子や透過電子、反射電子、Ｘ線などを利用して、観察画像を生成したりする装置である。荷電粒子線装置の例として、電子顕微鏡や電子線描画装置、Ｘ線顕微鏡、ＣＴ、イオン顕微鏡などがある。
【0003】
これらの荷電粒子線装置において、生成される画像やその照射状態は、空間分解能が高く、繰り返し観察・照射した場合の再現性が良いこと等が求められる。
【0004】
例えば、電子顕微鏡においては、高い空間分解能を実現するためには、試料に照射する電子線の輝度が高い必要がある。輝度の高い電子線を放出する電子源として、ショットキー電子源（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ Ｅｍｉｔｔｅｒ：以下、ＳＥ電子源）や冷陰極電界放出電子源（Ｃｏｌｄ Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｔｔｅｒ：以下、ＣＦＥ電子源）が広く用いられている。特許文献１にはＳＥ電子源の構造の一例が記載されている。
【0005】
さらに、近年、半導体デバイスの微細化と複雑化が進み、その製造工程のプロセス管理に電子顕微鏡が多く用いられている。半導体の計測を担う電子顕微鏡には、上記の高分解能性能に加え、同じ試料を観察した場合にどの装置であっても同じ寸法の計測結果を得ること、すなわち、装置間の測定結果の機差が小さいことが求められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】特開平８－１７１８７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
特許文献１に記載のように、ＳＥ電子源は開口部をもつサプレッサ電極と、先端部から電子を放出する電子放出材である単結晶線（以下、チップと称する）を備え、サプレッサ電極の開口部からチップの先端部（電子放出部）が突き出た構造をもつ。さらに、ＳＥ電子源に引出電極等を付加して電子銃（ＳＥ電子銃）を構成する。ＳＥ電子銃では、チップを加熱するとともに引出電極による電界印加を行ってチップ先端から電子を放出させる。サプレッサ電極はチップ先端に対して負の電位を印加されて、チップ先端部以外から放出される不要な熱電子を抑制する機能を持つ。
【0008】
この機能を果たすために、チップとサプレッサ電極の開口部の中心軸は高い精度で位置合せすることが求められる。そのためチップとサプレッサ電極の開口部とは機械的に同軸状となるように位置合わせして組立てられ、電子源として一体化される。この電子源が電子顕微鏡等の各装置に搭載され、電子線が放出され使用される。
【0009】
ここで、発明者らの研究の結果、電子源の個体ごとに、チップの中心軸とサプレッサ電極の開口部の中心軸とは、例えばサプレッサ電極の開口径が４００μｍ程度の場合に対して数μｍから数十μｍずれる場合があることがわかった。チップとサプレッサ電極の中心軸がずれると、サプレッサ電極が生成する電界がチップに対して軸のずれた分布となり、中心軸に対して垂直方向（横方向）の電界が、チップの前方の空間に発生する。チップ先端から放出した電子線は、この電界によって横方向に曲げられ、下流にあるレンズの軸外を通過する。この結果、レンズで軸外収差が発生し、試料に照射した電子線の集光径が大きくなることで分解能が悪化する。
【0010】
チップとサプレッサ電極の軸ずれ量が大きくなるほど、横方向の電界は大きくなる。従って、電子線が大きく曲げられて軸外収差も大きくなる。チップとサプレッサ電極の軸ずれ量は、電子源の個体ごとに異なることから、電子源を搭載した装置ごとに軸外収差の大きさも変わり、分解能に差が生じる。この結果、電子顕微鏡等の装置間の機差が大きくなる課題が生じる。
【0011】
その他に、チップとサプレッサ電極との軸ずれ量が特に大きい場合、電子線が大きく曲げられることで、下流に配置した絞りや電極の開口を通過できなくなる。この場合、電子線が試料に到達できなくなり、電子源、電子銃、または、電子顕微鏡の製造不良となる。これは、製造コストの増加や、リードタイムの増加などの課題となる。
【0012】
本発明の目的は、機差を低減した電子源、電子銃、及びそれを用いた電子顕微鏡等の荷電粒子線装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0013】
本発明の一実施の形態である電子源は、中心軸に沿った方向における一方の端部に開口部を持つサプレッサ電極と、開口部から先端が突き出した電子放出材とを有し、サプレッサ電極は、開口部よりも外周方向の位置に、中心軸に沿った方向においてサプレッサ電極の端部よりも電子放出材の先端から遠ざかる位置に後退した後退部をさらに備え、後退部の少なくとも一部は、開口部の中心から直径２８１０μｍ以内に配置されることを特徴とする電子源として構成する。
【発明の効果】
【0014】
本発明によれば、機差を低減した電子源、電子銃、及びそれを用いた電子顕微鏡等の荷電粒子線装置を提供できる。その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】実施例１に係る走査電子顕微鏡の概略を示す図である。
【図2】従来のＳＥ電子源の構成を説明する図である。
【図3A】従来のＳＥ電子源において電子線が曲がる原理を説明する図である。
【図3B】従来のＳＥ電子源において電子線が曲がる原理を説明する図である。
【図4】実施例１に係るＳＥ電子源の構成を説明する図である。
【図5A】従来のＳＥ電子源において電子線の軌道についての原理を説明する図である。
【図5B】従来のＳＥ電子源において電子線の軌道についての原理を説明する図である。
【図5C】実施例１に係るＳＥ電子源において電子線の軌道についての原理を説明する図である。
【図5D】実施例１に係るＳＥ電子源において電子線の軌道についての原理を説明する図である。
【図6A】実施例１に係るＳＥ電子源においてテーパー面の角度θが電子線に与える影響を示す図である。
【図6B】実施例１に係るＳＥ電子源においてテーパー面の角度θが電子線に与える影響を示す図である。
【図7A】従来のＳＥ電子源においてチップとサプレッサ電極との軸ずれ量が電子線に与える影響を示す図である。
【図7B】実施例１に係るＳＥ電子源においてチップとサプレッサ電極との軸ずれ量が電子線に与える影響を示す図である。
【図7C】従来型と実施例１に係るＳＥ電子源においてチップとサプレッサ電極との軸ずれ量が電子線に与える影響を示す図である。
【図8A】実施例１に係るＳＥ電子源において、Ｌとθと電子線への影響の関係を示す図である。
【図8B】実施例１に係るＳＥ電子源において、Ｌとθと電子線への影響の関係を示す図である。
【図9】実施例１に係るＳＥ電子源において、必要となるサプレッサ電圧の例を示す図である。
【図10】従来のＳＥ電子源において、チップの突き出し長さＴを変えた場合の電子線への影響を示す図である。
【図11A】実施例２に係るＳＥ電子源において、Ｌとθと電子線への影響の関係を示す図である。
【図11B】実施例２に係るＳＥ電子源において、Ｌとθと電子線への影響の関係を示す図である。
【図12A】実施例２に係るＳＥ電子源において、Ｌとθと電子線への影響の関係を示す図である。
【図12B】実施例２に係るＳＥ電子源において、Ｌとθと電子線への影響の関係を示す図である。
【図13】実施例２に係るＳＥ電子源において、ＴとＬと電子線への影響の関係を示す図である。
【図14】実施例３に係るＳＥ電子源の構成を説明する図である。
【図15】実施例４に係るＳＥ電子源の構成を説明する図である。
【図16】実施例５に係るＳＥ電子源の構成を説明する図である。
【図17】実施例６に係るＳＥ電子源の構成を説明する図である。
【図18】実施例７に係るＳＥ電子源の構成を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
以下、本発明の電子源、電子銃、及び電子顕微鏡等の荷電粒子線装置の種々の実施例を、図面を用いて順次説明する。荷電粒子線装置として、電子線を試料に照射し、試料から放出される二次電子、反射電子、または透過電子等を検出することで試料の観察画像を生成する電子顕微鏡がある。以下、荷電粒子線装置の一例として、電子顕微鏡の中で走査電子顕微鏡について説明するが、本発明はそれに限定されず、他の電子顕微鏡、荷電粒子線装置にも適用できる。
【実施例1】
【0017】
図１に実施例１に係る走査電子顕微鏡の全体の概略構成を示す。走査電子顕微鏡は、電子源１０１から出射した電子線１１５を試料１１２に走査しながら照射し、試料１１２から放出される二次電子や反射電子等を検出器１１４で検出して試料１１２の観察画像を生成する。この観察画像は、微小スポットに集光した電子線１１５を試料１１２上に走査し、電子線１１５が照射された位置と二次電子等の検出量を関連付けて生成する。図の中で、電子線１１５の出射方向をＺ軸、Ｚ軸に直交する水平軸をＸ軸とする。
【0018】
走査電子顕微鏡は、筒体１２５と試料室１１３を備え、筒体１２５の内部は、上から第一真空室１２６と第二真空室１２７、第三真空室１２８に分けられる。それぞれの真空室の境界部分には電子線１１５が通過する絞り（図示せず）があり、各真空室の内部は差動排気で真空に維持する。以下、各真空室について装置構成を説明する。
【0019】
第一真空室１２６の内部に電子源１０１を配置する。電子源１０１にはＳＥ電子源を使用する。ＳＥ電子源１０１は碍子１１６で保持され、筒体１２５と電気的に絶縁される。ＳＥ電子源１０１の下方(下流)には、引出電極１０２を対向させて配置する。引出電極１０２の下方には、加速電極１０３を対向させて配置する。ＳＥ電子源１０１、引出電極１０２、加速電極１０３により、電子銃１０４を構成する。ＳＥ電子源１０１から電子線１１５を放出し、最終的に試料１１２に照射することで観察画像を得る。ＳＥ電子源１０１の構成の詳細は後述する。第一真空室１２６は、イオンポンプ１２０と非蒸発ゲッターポンプ１１８で真空排気し、圧力を１０－８Ｐａ台の超高真空、より好的には１０－９Ｐａ以下の極高真空にする。
【0020】
第二真空室１２７にはコンデンサレンズ１１０を配置する。第二真空室１２７はイオンポンプ１２１で排気する。
【0021】
第三真空室１２８には、検出器１１４を配置する。第三真空室にもイオンポンプ（図示しない）を配置して真空排気する。
【0022】
試料室１１３には、対物レンズ１１１と試料１１２を配置する。また、図示しないが、電子線１１５を走査するための走査偏向器等も配置する。試料室１１３はターボ分子ポンプ１０９で真空排気する。
【0023】
ここからは、上記の各構成の作用と、ＳＥ電子源１０１から放出した電子線１１５が、観察画像を生成するまでの工程を説明する。
【0024】
電子銃１０４の各電極には、図示していない電源を用いて電圧が印加される。引出電極１０２には、ＳＥ電子源１０１に対して正の引出電圧Ｖ１を印加し、ＳＥ電子源１０１から電子線１１５を放出させる。引出電圧Ｖ１の大きさは典型的には１ｋＶから１０ｋＶ程度、より好適には２ｋＶから６ｋＶ程度とする。加速電極１０３には、ＳＥ電子源１０１に対して０．５ｋＶから１００ｋＶ程度の加速電圧Ｖ０を印加し、電子線１１５を加速する。引出電極１０２と加速電極１０３との間には、電圧差によって静電レンズが形成される。
【0025】
電子銃１０４の下方にはコンデンサレンズ１１０を配置し、電子銃１０４を出射した電子線１１５を集光し、電子線１１５の電流量や開き角を調整する。なお、コンデンサレンズは複数設けても良く、その他の真空室に配置しても良い。また、電子源１０１からコンデンサレンズ１１０までを電子銃１０４としてもよい。
【0026】
最後に、さらに下方の試料室１１３に配置した対物レンズ１１１で電子線１１５を微小スポットに集光し、図示しない走査偏向器により試料１１２上に走査しながら照射する。このとき、試料１１２からは、表面形状や材質を反映した二次電子や反射電子、Ｘ線が放出する。これらを検出器１１４で検出することで、試料の観察画像を得る。検出器１１４は複数設けても良く、試料室１１３等、その他の真空室に配置しても良い。
【0027】
次に、図２に、一般の走査電子顕微鏡で使用するＳＥ電子源として従来のＳＥ電子源２０１の構成を示す。従来のＳＥ電子源２０１は電子放出材である単結晶線(以下、チップと称する)２０２と、サプレッサ電極２０３を備えて構成される。
【0028】
チップ２０２は、タングステン＜１００＞方位の単結晶線であり、その直径は０．１２ｍｍ程度である。チップ２０２の先端は先鋭化し、電子が放出する先端部分の曲率半径は１μｍ以下程度としている。チップ２０２の単結晶線の中腹等の一部分には酸化ジルコニウムを塗布する。チップ２０２は、フィラメント２０６に溶接する。フィラメント２０６の両端は、二つの端子２０７に接続する。二つの端子２０７は、碍子２０８に保持され、それぞれ電気的に絶縁される。二つの端子２０７はＳＥチップ２０２と同軸方向に伸び、図示していないフィードスルーを介して電流源に接続される。
【0029】
このような構成において、端子２０７には定常的に電流を流し、フィラメント２０６を通電加熱することで、チップ２０２を１５００Ｋから１９００Ｋに加熱する。この温度では、チップ２０２に塗布した酸化ジルコニウムが表面を拡散移動し、電子源となるチップ２０２の先端中央にある（１００）結晶面を被覆する。（１００）面が酸化ジルコニウムで覆われると、その部分の仕事関数が低減する。さらに、サプレッサ電極２０３の下方に配置した引出電極１０２（図１に示す）には前述したように数ｋＶ程度の引出電圧Ｖ１を印加することで、先鋭化されたチップ２０２の先端には、中心軸Ｚ方向に１０８Ｖ/ｍ程度の強い引出電界が印加される。この結果、ショットキー効果が発生し、仕事関数がさらに低下する。これらの結果、加熱されたチップ２０２の先端の（１００）面から熱電子が放出し、電子線１１５が得られる。
【0030】
サプレッサ電極２０３は、典型的な形状として、底面（平面）２０５をもつカップ型の円筒金属等である。その底面（平面）２０５には開口部２０４が配置される。サプレッサ電極２０３と開口部２０４とは同軸加工され、中心軸が一致する。この中心軸は電子線１１５の出射方向と同じＺ軸とする。チップ２０２は開口部２０４の内部に配置され、チップ２０２の先端は、この開口部２０４から一定の長さＴだけ突き出して配置される。チップ２０２の先端以外の部分はサプレッサ電極２０３で覆われる。
【0031】
サプレッサ電極２０３は、碍子２０８と嵌合で組み立てられ、保持される。サプレッサ電極２０３と端子２０７とは、碍子２０８によって電気的に絶縁されている。
【0032】
平面２０５は、本例では中心軸Ｚに対して垂直な平面部分である。平面２０５の直径は典型的には４ｍｍから１０ｍｍ程度である。開口部２０４の直径ｄは、典型的には０．２ｍｍから１．２ｍｍ程度、より好適には０．４ｍｍ程度である。サプレッサ電極２０３の側面は、典型的にはサプレッサ電極２０３の中心軸Ｚと平行な円筒面２１０をもち、平面２０５と円筒面２１０との接続部には面取り部２０９がある。
【0033】
上記のように、チップ２０２の先端は開口部２０４から長さＴだけ突き出して配置される。チップ２０２の先端の突き出し長さＴは、典型的には０．１５ｍｍから０．３５ｍｍ程度、より好適には０．２５ｍｍ程度である。
【0034】
サプレッサ電極２０３には、チップ２０２に対して典型的には－０．１ｋＶから－１．２ｋＶ、より好適には－３００Ｖから－６００Ｖ程度の負のサプレッサ電圧ＶＳを印加する。負のサプレッサ電圧ＶＳが形成する電界により、チップ２０２の根元やフィラメント２０６等、チップ２０２の先端部以外の箇所から放出しようとする不要な熱電子は、放出が抑制される。その結果、不要な熱電子による電子ビーム１１５の高輝度性能、高分解能性能の劣化を防ぐことができる。
【0035】
なお、チップ２０２の先端と、図１に示した引出電極１０２との距離は典型的には０．１５ｍｍから１．５ｍｍ程度である。チップ２０２の先端と図１に示した加速電極１０３との距離は典型的には１ｍｍから５０ｍｍ程度である。
【0036】
ここで、サプレッサ電極２０３と碍子２０８とは嵌合で組み立てるため、基本的にはチップ２０２の中心軸とサプレッサ電極２０３の開口部２０４の中心軸は一致するように一体形成される。しかし、加工形成工程では、機械公差や、組み立て誤差、熱による歪みの影響でずれが生じる。このため、現実的には、チップ２０２の中心軸と、開口部２０４の中心軸とは、サプレッサ電極２０３の開口部２０４においてＺ軸に直交する方向（Ｘ軸方向等）にずれることがあり、そのずれ量、すなわちチップ２０２の開口部２０４の面内における開口部２０４の中心とチップ２０２のずれ量（以下、軸ずれ量と称する）Δは現実的には数μｍから数十μｍ程度となり、さらにこの軸ずれ量Δは電子源の個体ごとに異なる。なお、サプレッサ電極２０３の中心軸と開口部２０４の中心軸は上述のように同軸加工されるため、以下、チップ２０２と開口部２０４の軸ずれについて、チップ２０２とサプレッサ電極２０３との軸ずれと称することがあるが、同様の意味である。このような軸ずれΔが発生することにより、電子線１１５の軌道が曲げられるという影響があり、その結果、後述するように、下流にあるレンズの軸外を通過することによる軸外収差の発生等の問題が発生する。
【0037】
次に、図３を用いて、チップ２０２とサプレッサ電極２０３の開口部２０４の軸がずれることで、電子線１１５が曲がる原理の概略を説明する。図３では、走査電子顕微鏡に搭載したＳＥ電子源１０１において、チップ２０２の先端部分を拡大して図示している。なお、同一記号の構成は前述と同じ構成を意味し、以降の説明は省略する。
【0038】
図３Ａは、チップ２０２とサプレッサ電極２０３の軸が一致する理想的な場合の模式図である。中心軸が一致する場合、後述するようにチップ２０２の先端から放出した電子線１１５には同軸状のサプレッサ電極２０３が形成するＺ軸に対称な電界分布のみが作用し、電子線１１５の進行方向であるＺ方向のみの電界作用を受けてＺ方向に直進し、曲げられることなく、中心軸上を進む。その後、電子線１１５は、引出電極１０２や加速電極１０３の開口の中心軸上を進むため、軸外収差は発生しない。
【0039】
図３Ｂは、チップ２０２に対して、サプレッサ電極２０３が軸ずれした場合の模式図である。なお、サプレッサ電極２０３は、軸ずれベクトル３０２で示したようにサプレッサ電極２０３が図中で右方向にずれた場合を示している。また、破線で示したサプレッサ電極２０３は、軸ずれしていない場合の位置を示す。
【0040】
チップ２０２とサプレッサ電極２０３の中心軸がずれた場合、チップ２０２の電子線１１５の放出方向の前方の空間に、後述するように中心軸とは垂直方向（横方向）（Ｘ方向）の電界３０１が発生する。チップ２０２から放出した電子線１１５は、この電界によってＺ軸方向のみではなく横方向にも力を受け、曲げられる。その後、電子線１１５は、引出電極１０２と加速電極１０３とで形成される静電レンズの軸外を通過する。この結果、軸外収差で電子線１１５の軌道が乱され、試料１１２上に集光した際の集光径が大きくなることで、走査電子顕微鏡の分解能が悪化する。なお、加速電極１０３の下方にはコンデンサレンズ１１０や、対物レンズ１１１がある。電子線１１５が曲げられることで、これらのレンズでも軸外収差が発生し、分解能を悪化させる。
【0041】
電子源１０１の軸ずれ量Δは個体ごとに異なるため、電子線１１５が曲がる大きさも個体ごとに異なる。従って、電子源を搭載した走査電子顕微鏡ごとに軸外収差と分解能が変わり、機差が生じる。走査電子顕微鏡に機差があると、例えば半導体パターンを試料としてパターンの寸法を計測するような場合に、同じ寸法のパターンについて複数の電子顕微鏡で計測した場合に、計測に用いた走査電子顕微鏡の機差に応じて異なる寸法の計測結果が得られることになってしまい、計測の信頼性、精度、再現性が低下してしまう。この機差の問題は、半導体パターンの微細化に伴ってより顕在化しやすい問題となる。
【0042】
さらに、軸ずれΔが大きく、電子線１１５が曲がる大きさが特に大きいと、引出電極１０２や加速電極１０３の開口、または図示していないその他の絞りを通過できず、試料１１２に到達できない。この場合には、電子源、電子銃、または、走査電子顕微鏡の製造不良となり、製造コストやリードタイムを増加させる。
【0043】
上記の問題を解決するため、実施例１では、サプレッサ電極３０５の形状を従来のサプレッサ電極２０３と異なる形状とした。
【0044】
図４に、実施例１のＳＥ電子源１０１及びサプレッサ電極３０５の構成を示す。図４に示すように、実施例１のサプレッサ電極３０５は、従来のサプレッサ電極２０３と異なり、その下面（底面）である平面２０５の中心軸Ｚ近傍の位置に、テーパー面（テーパー部）３０６をもつ。このテーパー面３０６が作用することで、後述するようにチップ２０２とサプレッサ電極３０５とが軸ずれした場合にも、電子線１１５が曲げられなくなる。
【0045】
テーパー面３０６は中心軸Ｚと垂直な面との間に角度（テーパー角度）θをなす。テーパー面３０６と、平面２０５（前方端部２１３）の接続部には、角部３０７が形成される。テーパー面３０６が始まる位置（角部３０７の位置に相当する）の中心軸から見た直径をＬとする。直径Ｌは平面部２０５（前方端部２１３）の直径となっている。
【0046】
サプレッサ電極３０５の構成を他の表現で言い換えると、次のようになる。サプレッサ電極３０５は、中心軸Ｚをもち、中心軸Ｚに沿った方向における両端部となる前方端部２１３（平面２０５）と後方端部２１４を備え、前方端部２１３（平面２０５）にサプレッサ電極３０５と同軸状に開口部２０４を備えてチップ２０２を配置する。ここで、チップ２０２の先端部が開口部２０４から突き出されて配置され電子線１１５が放出される方向を前方とし、その反対方向を後方とした。前方端部２１３（平面２０５）の開口部２０４よりも外周方向の位置に、Ｚ方向において前方端部２１３（平面２０５）よりもチップ２０２の先端から遠ざかる方向に後退した面（後退部（面））２１２となるテーパー部３０６を備える構成である。
【0047】
サプレッサ電極３０５は、従来のサプレッサ電極２０３と比較して、平面２０５の面内で中心軸Ｚの近傍部の面を後退させて後退部２１２（テーパー面３０６）を形成したものであり、平面部２０５の直径が従来よりも小さくなっている。
【0048】
中心軸Ｚの近傍にテーパー面３０６が存在することで、チップ２０２とサプレッサ電極３０５とが軸ずれした場合でも、サプレッサ電極３０５が形成する電界分布にテーパー面３０６が作用して、後述するように電子線１１５が曲げられなくなる。サプレッサ電極の形状のパラメータである上記の直径Ｌと角度θとは、後述するように適切な設計範囲をもつ。
【0049】
サプレッサ電極３０５は、従来のＳＥ電子源２０１と同様に、碍子２０８と嵌合で組み立てられて保持される。
【0050】
このような実施例１のサプレッサ電極の構造によって得られる効果を説明する。図５Ａ～図５Ｄに、実施例１のＳＥ電子源１０１において、チップ２０２とサプレッサ電極３０５とが軸ずれしても、電子線１１５が曲げられなくなる原理を説明する説明図を示す。図５Ａ、図５Ｂは従来型のサプレッサ電極２０３を用いた場合、図５Ｃ、図５Ｄは実施例１のサプレッサ電極３０５を用いた場合の状態を示すものである。そして、図５Ａと図５Ｃはチップ２０２と開口部２０４の軸ずれがない場合、図５Ｂと図５Ｄは軸ずれがある場合を示している。
【0051】
まず 図５Ａは、従来のＳＥ電子源２０１において、軸ずれがない場合での電気力線を示した模式図である。電気力線は空間に発生する電界の方向を示す仮想的な線であり、電子が受ける力の向きを示す。
【0052】
上述したように、サプレッサ電極２０３には、チップ２０２や引出電極１０２に対して、負の電圧が印加される。この結果、チップ２０２の表面には複数の正電荷４０１が生じ、サプレッサ電極２０３の表面には複数の負電荷４０２が生じる。このため、電荷４０１から負電荷４０２に向けて、電気力線４０３が生じる。図５Ａの軸ずれがない状態では、チップ２０２とサプレッサ電極２０３は、中心軸に対して軸対称な構造をもつ。この場合、中心軸上を横切る電気力線はなく、チップ２０２の先端から放出する電子線１１５に対して横方向の力は加わらない。従って、電子線１１５が曲がることはない。
【0053】
図５Ｂは、従来のＳＥ電子源２０１において、軸ずれした場合に追加される電気力線を示した模式図である。チップ２０２に対して、サプレッサ電極２０３がずれることは、図５Ａの状態に新たに電荷が加わることに相当する。
【0054】
図５Ａの状態から図５Ｂの状態へと、サプレッサ電極２０３が軸ずれベクトル３０２で示す方向、すなわち図中で右方向にわずかな量（軸ずれ量Δ）ずれたとする。なお、図５Ｂ中の破線は軸ずれする前のサプレッサ電極２０３の位置、実線は軸ずれした後のサプレッサ電極２０３の位置を示す。なお、軸ずれ量Δは、厳密には、開口部２０４の面内におけるサプレッサ電極の開口部２０４の中心軸とチップ２０２の中心軸とのずれとして定義したが、ほぼ同様の量として、図５等においては開口部２０４の開口端部が軸ずれ前の状態から軸ずれした状態に位置が変化（変位）した際の変位量として簡易的に図示している。
【0055】
開口部２０４において、サプレッサ電極２０３がチップ２０２に近づく空間領域４０６に着目する。この空間領域にサプレッサ電極２０３が移動することは、軸ずれでこの空間に新たな負電荷４０５が加わることと等価である。また、空間領域４０６の図中左側の空間は、サプレッサ電極２０３の内部になるために電荷は発生しない。このため、軸ずれ前にあった負電荷４０２を打ち消す正電荷４２０も加わる。さらに、空間領域４０６では、サプレッサ電極２０３とチップ２０２との距離が近づく。このため、静電容量が大きくなり、軸ずれ前と比べて、この空間の負電荷の量が増す。すなわち、正電荷４２０と比べて、負電荷４０５の数が多くなる。
【0056】
一方、開口部２０４において、サプレッサ電極２０３がチップ２０２から離れる空間領域４０７に着目する。この空間領域からサプレッサ電極２０３がなくなることは、この部分に新たな正電荷４０４を加え、軸ずれ前にあった負電荷４２１を打ち消すことと等価である。また、空間領域４０７の図中右側は、新たにサプレッサ電極２０３の表面になることから、ここに負電荷４２２が加わる。さらに、空間領域４０７では、サプレッサ電極２０３とチップ２０２との距離が離れる。このため、静電容量が減り、軸ずれ前と比べて、この空間の負電荷の量が減る。すなわち、負電荷４２２と比べて、正電荷４０４の数が多くなる。
【0057】
このように、サプレッサ電極２０３が軸ずれすることは、図５Ａに示した軸ずれがない状態での電荷分布に、図５Ｂに示した、負電荷４０５と正電荷４２０、及び、正電荷４０４と負電荷４２２を追加することと等価である。
【0058】
ここで、図５Ｂにおいて、正電荷４０４と負電荷４０５が、サプレッサ電極２０３の真空側表面に露出し、かつ電荷量が多く、真空領域に最も強く電界を作る。この結果、チップ２０２の前方に、両電荷を繋げる新たな電気力線４０８が発生する。電気力線４０８は中心軸を横切るように横向き（図中のＸ方向）に発生し、チップ２０２から放出する電子線に力を加える。この結果、電子線は図中で右側に曲げられる。これが、サプレッサ電極２０３の軸ずれによって電子線が曲がる原理である。
【0059】
図５Ｃは、実施例１のＳＥ電子源１０１において、軸ずれがない場合での電気力線を示した模式図である。実施例１のＳＥ電子源１０１は、サプレッサ電極３０５の下面の軸近傍にテーパー面３０６をもつ。軸ずれがない場合、図５Ａと同様に、軸対称に正電荷４０１と負電荷４０２ができ、電気力線４０３が生じる。この場合も、中心軸を横切る電気力線が発生することはなく、電子線１１５が曲げられることはない。
【0060】
図５Ｄは、実施例１のＳＥ電子源１０１において、図中の右側へ軸ずれ量Δだけ軸ずれした場合に追加される電気力線を示した模式図である。実施例１のＳＥ電子源１０１では、テーパー面３０６を設けることで、テーパー面にも電荷を発生させ、電気力線４０８とは逆向きの電気力線４１２を発生させる。この結果、電子線を曲げる力を緩和するとともに、さらには、電子線を曲げ戻す力を発生させる。なお、図中の破線は図５Ｃに示した場合と同様の軸ずれする前のサプレッサ電極３０５の位置、実線は軸ずれした後のサプレッサ電極３０５の位置を示す。
【0061】
図５Ｄについて、より詳しく説明する。実施例１のＳＥ電子源１０１においても、チップ２０２とサプレッサ電極３０５が軸ずれした場合、開口部２０４において、新たな正電荷４０４と負電荷４２２、及び、新たな負電荷４０５と正電荷４２０が発生し、電気力線４０８が生じる。
【0062】
ここで、実施例１のＳＥ電子源１０１では、テーパー面３０６にも軸ずれによって等価な電荷が発生する。テーパー面３０６がチップ２０２に近づく空間領域４１３に着目する。この空間にあったサプレッサ電極３０５がなくなることは、ここに新たな正電荷４１０を加え、軸ずれ前にあった負電荷４０２を打ち消すことと等価である。また、空間領域４１３の図中の右側の空間は、新たにテーパー面３０６の表面になることから、ここに負電荷４２３が加わる。さらに、空間領域４１３では、テーパー面３０６がチップ２０２に近づく。この結果、チップ２０２がテーパー面３０６に与える電界の影響が増し、（図示しない）引出電極１０２がテーパー面３０６に与える電界の影響が減る。チップ２０２と比べて、引出電極１０２に印可する電圧が高いことから、テーパー面３０６の電界は減ることになる。すなわち、負電荷４２３と比べて正電荷４１０の数が多くなる。
【0063】
一方、テーパー面３０６がチップ２０２から離れる空間領域４１４に着目する。この空間にサプレッサ電極３０５が移動することは、ここに新たな負電荷４１１を加えることと等価である。また、空間領域４１４の左側は、サプレッサ電極３０５の内部になることから、軸ずれ前にあった負電荷を打ち消す正電荷４２４が加わる。さらに、空間領域４１４では、テーパー面３０６がチップ２０２から離れる。この結果、チップ２０２がテーパー面３０６に与える電界の影響が減り、図示しない引出電極１０２がテーパー面３０６に与える電界の影響が増す。チップ２０２と比べて、引出電極１０２に印可する電圧が高いことから、テーパー面３０６の電界が増える。すなわち、正電荷４２４と比べて、負電荷４１１の数が多くなる。
【0064】
このように、テーパー面３０６の表面において、空間領域４１３では正電荷４１０が多く、空間領域４１４では負電荷４１１が多くなる。この結果、両者を繋げる新たな電気力線４１２が生じる。電気力線４１２は、開口部２０４が発生する電気力線４０８と逆向きとなる。これは、開口部２０４で発生する電界を弱めることになり、電気力線４０８の及ぼす力を低減し、電子線を曲がりにくくすることができる。
【0065】
また、テーパー面３０６に発生する正電荷４１０と負電荷４１１の電荷量が大きいほど、または、正電荷４１０と負電荷４１１との距離が近いほど、両者が作る電界が強くなり、電気力線４１２が及ぼす力も強くなる。そこで、電荷量と距離を適切な量とすることで、電気力線４０８によって曲げられた電子線を、電気力線４１２で曲げ戻し、電子線を中心軸上に戻すこともできる。
【0066】
一方、電荷量を過剰に大きくしすぎる、または距離を過剰に近くしすぎると、電気力線４１２の力が電気力線４０８の力よりも強くなりすぎ、電子線が図中の左に曲げられるようになる。電気力線４１２の力が過剰である場合、従来のサプレッサ電極２０３が軸ずれした場合と比べて、電子線が曲げられる程度が大きくなり、従来よりも軸ずれの影響が大きく、問題が却って悪化することになる。
【0067】
テーパー面３０６に生じる正電荷４１０と負電荷４１１の電荷量、及び、両電荷の距離は、図４に示したテーパー面３０６の開始位置の直径Ｌと、テーパー面３０６の角度θによって決まる。直径Ｌは、テーパー面３０６に発生する正と負の電荷間の距離を決める。角度θは、テーパー面３０６とその角部３０７の電界集中の度合いを決め、テーパー面３０６と角部３０７に発生する電荷量を決める。従って、軸ずれしても電子線が曲がらないようにするためには、直径Ｌと角度θを適切な範囲で設計する必要がある。
【0068】
ここで、面に生じる電荷が作る電界は、正と負の電荷間の距離、すなわち面の間の距離に反比例して弱くなる。従って、テーパー面３０６により中心軸上に十分な電界を発生させるためには、テーパー面３０６を中心軸近傍に配置する必要がある。すなわち、直径Ｌを一定の距離以下にする必要がある。なお、従来のサプレッサ電極２０３では、面取り部２０９が配置されてはいるものの、通常はサプレッサ電極３０５の角部の電界集中を避ける等の目的のものであり、面取り部２０９の開始位置の直径、すなわち平面２０５の直径Ｌについては考慮されておらず、典型的には４ｍｍ以上の大きい径をもつ。このように直径Ｌが大きい場合、平面２０５の外側にどのような構造を設けても、この構造が中心軸上に作る電界は極めて小さく、電子線１１５に影響を及ぼすことはない。このため、従来のサプレッサ電極２０３において面取り部２０９がどのような形状や角度であっても、その影響はない。平面２０５の直径が、このように大きい場合、開口部２０４が作る電界のみで横方向の電界と電子線１１５の曲がり方が決まる。
【0069】
なお、上述した電子線１１５が曲げられなくなる原理は、中心軸近傍に図４と異なる形状を設けることでも実現できる。図５Ｄに示した構成は、本質的には、サプレッサ電極３０５の開口部２０４よりも外周方向で、サプレッサ電極の最下面２０５（前方端部２１３）よりも後方(図中上方)に向かう面（後退部（面）２１２）を中心軸近傍の位置に設けることで、軸ずれ時にここに電荷が発生し、反対方向の電界を発生させるものである。この結果、開口部２０４が形成する電界を打ち消し、さらには電子線を曲げ戻すことで、電子線１１５が曲げられなくなる。別の言い方をすると、チップ２０２から試料に向かう方向を前方、逆向きを後方として、サプレッサ電極３０５の開口部２０４よりも外周方向で、中心軸Ｚ近傍の位置に、サプレッサ電極３０５の最前面（前方端部）２１３よりも後方に後退した面（後退面）（実施例１ではテーパー部３０６）、すなわちチップ２０２の先端から中心軸方向に前方端部２１３よりも離れた(遠ざかる)部分を後退部２１２の一部として設ける。この結果、軸ずれ時に開口部２０４が発生する電界と反対方向の電界を、この後退面２１２の中心軸近傍部分（実施例１ではテーパー部３０６）が発生させる。この結果、電子線が曲げられるのを防ぐことができる。
【0070】
図４のテーパー３０６以外の後退面の例として、ステップ状の段（θ＝９０度（°）に相当）や、球や楕円などの曲面、複数のテーパーや段、曲面を組み合わせた面でも良い。なお、ステップ状の段はテーパー角度９０°のテーパー部、球や楕円等の曲面は連続的に変化する無数の異なるテーパー角度の微小部分により形成される、一種のテーパー部と考えることもできる。これらのその他の形状は他の実施例として後述する。
【0071】
ここからは、サプレッサ電極３０５の形状パラメータＬ、θ、及びサプレッサ電極３０５とチップ２０２の軸ずれ量Δと電子線１１５の軌道の曲がり量（図５におけるＸ方向の変位）との関係及びサプレッサ電極３０５の形状パラメータの適切な設計範囲について説明する。
【0072】
まず、図６に、実施例１のＳＥ電子源１０１においてテーパー面３０６の角度θが電子線１１５に与える横方向の曲がり（Ｘ方向の変位）への影響の一例を示す。
【0073】
図６Ａは、テーパー面３０６の角度θを０°から１４°まで変えた場合に、中心軸Ｚ上に発生する、中心軸とは垂直な方向（Ｘ方向、横方向）の電界Ｅｘを計算した結果である。ここで、チップ２０２の中心軸をＺ軸、その垂直方向をＸ軸とし、チップ２０２の先端表面をＺ＝０、試料側をＺ＞０とした。計算条件の一例として、サプレッサ電極３０５の前方端部２１３（平面２０５）の直径Ｌ、チップ２０２の突き出し長さＴ、開口部２０４の直径ｄ、チップ２０２とサプレッサ電極３０５との軸ずれ量ΔをそれぞれＬ＝８００μｍ、Ｔ＝２５０μｍ、ｄ＝４００μｍ、Δ＝１μｍとし、チップ２０２の電位を０Ｖ、引出電圧Ｖ１を２ｋＶとした。また、サプレッサ電圧ＶＳは、チップ２０２の先端に加わる中心軸方向（Ｚ方向）の電界が、各形状で等しくなるように調整した。横方向の電界Ｅｘは、θ＝０°のときの最大電界の絶対値を１として規格化した。なお、θ＝０°は、テーパー面３０６がない条件であり、従来のサプレッサ電極２０３の形状である。また、上記の計算条件は、上述のように一例であり、各種のパラメータ（計算条件）が変化した場合についても後述するように電子線の曲がりを低減する効果の傾向を考察することができる。
【0074】
θ＝０°の場合、チップ２０２の先端付近でＥｘ＝－１の最大電界が発生し、Ｚが大きくなるにつれて電界が低下した。Ｚ＝８００μｍ付近でＥｘはほぼ０となった。θを２°にすると、チップ２０２先端の電界が低下した。θを６°、１０°、１４°と大きくすると、チップ２０２先端の電界が徐々に弱まるのに加えて、Ｚ＝２００μｍ付近を頂点にして＋側の電界が発生した。電界の正負が逆転していることから、この＋側の電界は、チップ近傍で一度曲げられた電子線を引き戻すように作用する。
【0075】
図６Ｂは、テーパー面３０６の角度θを０°から１４°まで変えた場合の、電子線の軌道の計算結果である。Ｚ軸上の距離Ｚに対する電子線の軌道のＸ方向の位置（変位量あるいは離軸距離Ｘ）を示すものである。横軸Ｚに対する縦軸Ｘの変化率（ｄＸ／ｄＺ）は電子線の軌道の傾きとなる。なお、図ではＺは２０ｍｍまで表記し、下流にある加速電極１０３付近まで図示した。また、縦軸Ｘは、θ＝０°の従来のサプレッサ電極において、Ｚ＝２０ｍｍでの電子線の離軸距離Ｘを１として規格化した。サプレッサ電極３０５の形状等のパラメータは図６Ａと同様である。
【0076】
θ＝０°の従来のサプレッサ電極の場合、電子線は＋側に曲がり、Ｚが大きくなるにつれて中心軸から離軸する。θを大きくするにつれて電子線の傾き（ｄＸ／ｄＺ）は低減し、離軸量Ｘも低減する。Ｚ＝２０ｍｍにおける電子線の傾き（ｄＸ／ｄＺ）を従来と比較すると、θ＝２°、６°、１０°の傾きはそれぞれ、８０％、３９％、０．１％である。すなわちθ＝１０°の場合、チップ２０２とサプレッサ電極３０５が軸ずれしても電子線がほぼ曲げられない状態となる。電子線が曲げられないことで、電子線は中心軸上を進み、静電レンズやその他のレンズで軸外収差が発生しなくなる。一方、θ＝１４°では、電子線を曲げ戻す力が強くなりすぎ、電子線は－側に傾いた。θをさらに大きくすると電子線はさらに－側に傾き、電子線の曲がり量は従来よりも悪化する場合がある。このように、従来よりも電子線の曲がりを低減するためには、θを一定の範囲内にする必要がある。
【0077】
次に、図７を用いて、実施例１のＳＥ電子源１０１において、チップ２０２とサプレッサ電極３０５との軸ずれ量Δが大きくなった場合の影響の一例を説明する。
【0078】
図７Ａに、従来のサプレッサ電極２０３を用いたＳＥ電子源２０１において、軸ずれ量Δが１μｍから２０μｍに増えた場合、中心軸Ｚ上に生じる、中心軸とは垂直な方向（Ｘ方向、横方向）の電界ＥＸを計算した結果を示す。なお、横方向の電界ＥＸは、軸ずれΔ＝１μｍの場合の最大電界の絶対値を１として規格化した。
【0079】
ＥＸは軸ずれ量Δにほぼ比例して増加し、その分布は相似形となった。軸ずれ量Δ＝１μｍ、５μｍ、１０μｍ、２０μｍでのＥＸの最大値の絶対値は１、５、１０、２０となった。従って、軸ずれ量Δに比例して横向きの電界ＥＸが大きくなり、電子線が大きく曲げられる。
【0080】
図７Ｂは、実施例１のサプレッサ電極３０５を用いたＳＥ電子源１０１において、θ＝１０°の条件で軸ずれ量Δが増えた場合の横方向の電界ＥＸの計算結果である。なお、その他の計算に用いた条件は図６で説明した条件と同じである。
【0081】
実施例１のＳＥ電子源１０１に関しても、軸ずれ量Δに比例してＥＸが増加し、その分布は相似形となった。ただし、実施例１のＳＥ電子源１０１においては、軸ずれ量Δに比例して、Ｚ＝２００μｍ付近に頂点をもつ＋側の電界も増加した。この結果、軸ずれ量Δが増えても、それに応じて電子線を曲げ戻す力も増し、電子線が曲がらない状態が維持される。
【0082】
図７Ｃに、従来のＳＥ電子源２０１と、実施例１のＳＥ電子源１０１について、軸ずれ量Δを横軸とし、Ｚ＝２０ｍｍの位置における電子線の傾き（ｄＸ／ｄＺ）を縦軸に示す。図７Ｃの実施例１のサプレッサ電極３０５の形状は図７Ｂと同様である。なお、縦軸の電子線の傾き（ｄＸ／ｄＺ）は、従来のサプレッサ電極２０３を用いたＳＥ電子源２０１において、軸ずれ量Δ＝１μｍでのＺ＝２０ｍｍにおける傾きを１として規格化した。
【0083】
従来のサプレッサ電極２０３では、軸ずれ量△に比例して電子線の傾き（ｄＸ／ｄＺ）が大きくなった。一方、実施例１のサプレッサ電極３０５では、軸ずれ量Δが増えても、電子線の傾きはほぼ０となった。このように、実施例１によるサプレッサ電極３０５が軸ずれしても、電子線１１５が曲がらない状態を実現できる。
【0084】
さらに、従来はチップ２０２とサプレッサ電極２０３との軸ずれ量が一定以下になるように、電子源の組み立て工程において基準を設け、品質管理を行った。そして、製造された電子源のうち、軸ずれ量Δが一定以下にできなかった個体は製造不良となっていた。一方、実施例１のサプレッサ電極３０５を用いることで、軸ずれ量Δが大きくても電子線１１５が曲がることがないため、組み立て工程の基準を大幅に緩めることができる。これは、電子源の製造コストの低下や、歩留り向上、リードタイム低減などの効果がある。
【0085】
以上の結果を踏まえ、実施例１のサプレッサ電極３０５の形状の適切な設計についてさらに検討する。
【0086】
図８を用いて、実施例１のサプレッサ電極３０５を用いたＳＥ電子源１０１において、適切なＬとθの関係を説明する。図８Ａに、実施例１のサプレッサ電極３０５において、Ｌとθを変えた場合に得られるＺ＝２０ｍｍにおける電子線１１５の傾き（ｄＸ／ｄＺ）を計算した結果を示す。横軸をＬ、縦軸をθとして同じ電子線の傾きとなる点を結んだ等高線を表示している。なお、電子線の傾きは、従来のサプレッサ電極２０３を用いた従来のＳＥ電子源２０１の電子線の傾きと比較したパーセンテージで示した。図中の９０％、５０％、０％、－５０％、－９０％の線は、従来のＳＥ電子源２０１と比べて、電子線の傾きが９０％、５０％、０％、－５０％、－９０％になることを示す。－が示す意味は、従来と比べて電子線の傾きが逆転することを示す。計算に用いたその他の条件は図６と同じである。
【0087】
実施例１のＳＥ電子源１０１は、原理的に、Ｌを短くするほど、または、θを大きくするほど、テーパー面３０６が作る電界が強くなる。逆に、過剰にＬが大きい、または、過剰にθが小さい場合、テーパー面３０６が作る電界は非常に弱くなり、従来と比べて電子線の傾きを低減する効果は無視できるほど小さくなる。一方、過剰にＬが小さい、または、過剰にθが大きい場合、テーパー面３０６が作る電界は非常に大きくなり、従来と比べて電子線の傾きは逆向きに非常に大きくなる。この場合、従来のＳＥ電子源２０１と比べて、電子線が逆方向に大きく曲がることになる。したがって、直径Ｌと角度θは適切な範囲内で設計する必要がある。
【0088】
実施例１のサプレッサ電極３０５を用いたＳＥ電子源１０１の効果として、電子線１１５の傾きの絶対値が従来よりも１０％以上低減すること、すなわち、傾きの絶対値が従来の９０％以下になることを閾値とすると、Ｌとθは、図８Ａで示した９０％から－９０％の線で囲まれた範囲内で設計することが望ましい。
【0089】
より好適には、電子線１１５の傾きの絶対値が従来よりも５０％以上低減すること、すなわち、傾きの絶対値が従来の５０％以下になることを閾値とすると、Ｌとθは図８Ａに示した５０％から－５０％の線で囲まれた範囲内で設計することが望ましい。
【0090】
さらに好適には、電子線１１５の傾きが従来の０％になること、すなわち、電子線が全く曲がらなくなるようにするためには、図８Ａで示した０％の線上の条件で設計することが望ましい。
【0091】
テーパー面３０６の角度θは、好適には９０°が最大である。θ＝９０°のとき、テーパー面３０６の形状は、テーパーではなくステップ状の段とみなせる。図８Ａに示したように、θ＝９０°の条件において、電子線の傾きを従来の９０％にするＬは約２５４０μｍである。その他のθでは、テーパー面３０６が作る電界が弱くなることから、９０％の傾きを得るためにはＬをこの値よりも小さくする必要がある。従って、いずれの角度であっても、９０％以下の電子線の傾きを得るためには、Ｌを２５４０μｍ以下にする必要がある。これがテーパー面３０６を軸近傍に配置する際の一つの基準となる。
【0092】
同様に、θ＝９０°の条件において、電子線の傾きを従来の５０％にするＬは約１９４０μｍである。従って、いずれの角度であっても、５０％以下の電子線の傾きを得るためには、Ｌを１９４０μｍ以下にする必要がある。
【0093】
同様に、θ＝９０°の条件において、電子線の傾きを０％にするＬは１６５０μｍである。従って、いずれの角度であっても、０％の電子線の傾きを得るためには、Ｌを１６５０μｍ以下にする必要がある。
【0094】
図８Ｂは、図８Ａの縦軸をｌｏｇθとした図である。なお、θの単位は度（°）、Ｌの単位はμｍである。９０％、５０％、０％、－５０％、－９０％の線は、縦軸をｌｏｇθとすることにより以下のそれぞれの二次関数で近似される。
【0095】
９０％、５０％、０％、－５０％、－９０％の線は、順に、以下のように表される。
ｌｏｇθ＝２．４０×１０－７×Ｌ２＋３．１８×１０－４×Ｌ－４．０８×１０－１
ｌｏｇθ＝３．８０×１０－７×Ｌ２＋６．７７×１０－５×Ｌ＋３．９２×１０－１
ｌｏｇθ＝４．９６×１０－７×Ｌ２－８．３１×１０－５×Ｌ＋７．４３×１０－１
ｌｏｇθ＝５．８６×１０－７×Ｌ２－１．８１×１０－４×Ｌ＋９．４９×１０－１
ｌｏｇθ＝６．６８×１０－７×Ｌ２－２．６８×１０－４×Ｌ＋１．０８
ｌｏｇθ＝２．４０×１０－７×Ｌ２＋３．１８×１０－４×Ｌ－４．０８×１０－１
ｌｏｇθ＝３．８０×１０－７×Ｌ２＋６．７７×１０－５×Ｌ＋３．９２×１０－１
ｌｏｇθ＝４．９６×１０－７×Ｌ２－８．３１×１０－５×Ｌ＋７．４３×１０－１
ｌｏｇθ＝５．８６×１０－７×Ｌ２－１．８１×１０－４×Ｌ＋９．４９×１０－１
ｌｏｇθ＝６．６８×１０－７×Ｌ２－２．６８×１０－４×Ｌ＋１．０８
【0096】
したがって、実施例１のＳＥ電子源１０１は、上記式で囲まれた範囲内のＬとθを用いて設計するのがその他の一つの基準となる。例えば、電子線の傾きを従来の９０％から－９０％に低減する場合には、上記の９０％と－９０％の場合の式を用いて、２．４０×１０－７×Ｌ２＋３．１８×１０－４×Ｌ－４．０８×１０－１≦ｌｏｇθ≦６．６８×１０－７×Ｌ２－２．６８×１０－４×Ｌ＋１．０８の関係を満たすように設計すればいい。
【0097】
ここで、図８Ａと図８Ｂに示した適切な範囲は、チップの突き出し長さＴや、開口部２０４の直径、チップや引出電極の形状、サプレッサ電圧、引出電圧などのその他の条件によって、＋－２０％程度変化する。また、これら諸条件ごとに場合分けをして基準を設けることは難しい。このため、上記の範囲は厳密ではなく、一定の尤度をもち、変化する場合があることを留意するべきである。
【0098】
一例として、本計算は、チップ２０２の突き出し長さＴ＝２５０μｍの結果であるが、突き出し長さに反比例して、横方向の電界３０１の影響は増減する。この結果、電子線が曲げられる程度が変化し、適切なＬとθの範囲も変化する。Ｔが２００μｍから３００μｍ程度の、２５０μｍに近い値であれば、およそ図８に示したＬとθの範囲内で設計することで、従来よりも電子線の傾きを低減できる。しかし、突き出し長さＴがこの範囲から外れた場合、適切なＬとθは図８の範囲では不十分となる。これらの突き出し長さが異なる場合については後述する。
【0099】
本計算は、開口部２０４の直径が４００μｍの結果であるが、その他の一例として、開口部２０４の直径をより大きくした場合、引出電極１０２が、開口部２０４に与える電界の影響が強くなり、正電荷４０４と負電荷４０５の電荷量が増す。この結果、電子線１１５がより大きく曲げられるようになる。このとき、電子線１１５が曲がるのを防止するためには、図８に示した範囲よりも角度θを大きく、直径Ｌを小さくする必要がある。前述と同様の計算を行うことにより、例えば、開口部２０４の直径が６００μｍの場合、直径Ｌは約２０％小さくする必要があることがわかった。
【0100】
次に、実施例１のサプレッサ電極３０５を用いたＳＥ電子源１０１に必要なサプレッサ電圧について説明する。図９にθ＝１０°の条件で直径Ｌを変えた場合において、チップ２０２の先端にかかる中心軸方向（Ｚ方向）の電界を、従来と同じにするために必要なサプレッサ電圧を計算した結果を示す。その他の計算条件は図６と同じである。なお、縦軸は、従来のサプレッサ電極２０３を用いたＳＥ電子源２０１に印可するサプレッサ電圧を１として正規化した。
【0101】
実施例１のサプレッサ電極３０５は、テーパー面３０６のような後退面２１２を中心軸の近傍にもつことで、サプレッサ電極３０５の本来の目的であるチップ２０２の先端に加わる中心軸方向（Ｚ方向）の電界を抑制する効果は弱くなってしまう。すなわち、チップ２０２の先端にかかる中心軸方向の引出・加速電界が強くなる。この場合、サプレッサ電極の機能である不要な電子を抑制する効果が低下し、従来よりも過剰に不要な電子が放出される問題が生じる。この対策のため、実施例１では、従来よりもサプレッサ電圧ＶＳを高くして、チップ２０２の先端の中心軸方向の電界を従来と同じにする必要がある。
【0102】
図９で示したＬ＝４００μｍの計算結果は、テーパー面３０６の開始位置を開口部２０４の下面と一致させた条件であり、平面２０５がない形状を意味する。この場合、必要なサプレッサ電圧は１．５４となり、従来よりも５４％電圧を上げなければならない。これは電源コストの増加や、碍子２０８沿面での放電の危険性が増す課題が生じる。また、開口部２０４とテーパー面３０６の開始位置が一致することから、この点に電界が集中し、引出電極１０２との間で空間放電する危険性が増す。これらの放電が起こった場合、チップ２０２の先端が溶損し、電子源は使用できなくなる。また、通常、チップの突き出し長さＴは平面２０５を基準面として、実体顕微鏡下で調整して組み立てるが、平面２０５がなくなることで、この突き出し長さの調整が難しくなり、歩留りの悪化や、製造コストが増加する問題が生じる。
【0103】
図９で示したように、直径Ｌを４００μｍよりも大きくする、すなわち平面２０５の直径を大きくすることで必要なサプレッサ電圧が低減する。また、上記の平面２０５がない場合の問題を解消できる。特に図９に示したグラフは下に凸となっており、わずかにＬを大きくすることで必要なサプレッサ電圧を大きく低減できる利点がある。
【0104】
Ｌの大きさの一つの基準として、Ｌ=４００μｍの場合に必要なサプレッサ電圧の増加量５４％の半分の２７％以下にする、すなわち、図９の縦軸で１．２７以下にすることを閾値とすると、これを実現するＬは７２０μｍ以上である。従って、Ｌを７２０μｍ以上にすることで、平面２０５がない場合と比べて、必要なサプレッサ電圧の増加を半分以下にできる。このように、開口部２０４の直径ｄが４００μｍ程度の典型的なサプレッサ電極において、Ｌを７２０μｍ以上とすることが一つの指針として得られた。
【0105】
より好適には、Ｌ=４００μｍの場合に必要なサプレッサ電圧の増加量５４％を三分の一の１８％以下（縦軸で１．１８以下）にすることを閾値とする。これを実現するＬは９１０μｍ以上である。従って、Ｌを９１０μｍ以上にすることで、平面２０５がない場合と比べて必要なサプレッサ電圧の増加を三分の一以下にできる。
【0106】
Ｌを２０００μｍ以上にすると、必要となるサプレッサ電圧は１．０１以下となり、従来とほぼ変わらなくなる。ただし、上述のようにテーパー面３０６が発生させる電界はＬに反比例して小さくなる。このため、Ｌを大きくして必要なサプレッサ電圧を下げることと、電子線の曲げを防ぐこととは、トレードオフの関係となる。設計者は、全体の装置設計を鑑みて、電子線の曲がり量の許容値とサプレッサ電圧の増加の許容値を定め、これを元に、適切なＬを決定する。その後、θを決定し、所望の範囲内に電子線の曲がりを低減する。または、チップ２０２とサプレッサ電極３０５との中心軸の組立誤差の調整基準を緩和する。
【0107】
本計算はθ＝１０°について行ったが、その他の角度θについても同様の計算を行った結果、図９と相似な計算結果となった。従って、その他のθにおいても、上述のＬを７２０μｍ以上にすることで、そのθでの平面２０５がない場合と比べて、必要なサプレッサ電圧の増加は半分以下にできる。また、Ｌを９１０μｍ以上にすることで、そのθでの平面２０５がない場合と比べて、必要なサプレッサ電圧の増加を三分の一以下にできる。
【実施例2】
【0108】
実施例１では、チップ２０２の突き出し長さＴが２００μｍから３００μｍ程度の条件において、サプレッサ電極３０５にテーパー面３０６を設けることで、軸ずれ時に電子線が曲げられるのを防ぐ構成を示した。実施例２では、実施例１と同じ構造のサプレッサ電極３０５及びＳＥ電子源１０１を用い、チップ２０２の突き出し長さＴが実施例１で記載した上述の範囲以外の場合の構成について説明する。
【0109】
図１０に、従来のサプレッサ電極２０３を用いたＳＥ電子源２０１において、チップ２０２の突き出し長さＴを変えた場合の横方向の電界ＥＸを示す。図１０は、Ｔ＝１５０μｍ、２５０μｍ、３５０μｍと変えた場合の計算結果である。Ｔ＝２５０μｍの結果は、実施例１の図６Ａで示したθ＝０°の結果に相当する。また、Ｚ＝０は、Ｔ＝２５０μｍでのチップ２０２の先端表面の位置とした。このため、Ｔ＝１５０μｍでのチップ２０２の先端表面はＺ＝－１００μｍ、Ｔ＝３５０μｍでのチップ２０２の先端表面はＺ＝１００μｍとなる。計算条件は、開口部２０４の直径ｄを４００μｍ、引出電圧Ｖ１を２ｋＶとした。また、サプレッサ電圧ＶＳはチップ２０２の先端に加わる中心軸方向（Ｚ方向）の電界が、各形状で等しくなるように調整した。チップ２０２とサプレッサ電極２０３との軸ずれ量Δは１μｍとした。縦軸である横方向の電界ＥＸは、Ｔ＝２５０μｍのときの最大電界の絶対値を１として規格化した。
【0110】
Ｔを変えた場合、開口部２０４が作る横方向の電界は大きく変わった。Ｔ＝２５０μｍでの電界のピークの値は－１であったのに対し、Ｔ＝１５０μｍでは－３．４、Ｔ＝３５０μｍでは－０．３３となった。この原因は、チップ２０２の突き出し長さＴによって、図５Ｂで示した電気力線４０８を遮蔽する領域が変わるためである。
【0111】
チップ２０２の突き出し長さＴを２５０μｍよりも短くした場合、チップ２０２がなくなった領域にも電界が侵入し、電子線がより曲げられることになる。このため、電子線の曲げを防止するためには、図５Ｄに示した、逆向きの電界４１２を強くする必要がある。これを実現するためには、テーパー面３０６の直径Ｌをより短く、または、角度θをより大きくする必要がある。
【0112】
チップ２０２の突き出し長さＴを２５０μｍよりも長くした場合、チップ２０２が移動した領域の電界は遮蔽され、電子線はより曲げられにくくなる。このため、実施例１で示したＬとθでは過剰に電子線を曲げ戻し、電子線の傾きは従来よりも悪化する可能性がある。そこで、テーパー面３０６のＬはより長く、または、θをより小さくする必要がある。
【0113】
図１１を用いて、実施例２のサプレッサ電極３０５を用いたＳＥ電子源１０１において、突き出し長さＴを１５０μｍにした場合の適切なＬとθの関係を説明する。図１１Ａに、実施例２のＳＥ電子源１０１において、Ｔ＝１５０μｍの条件において、Ｌとθを変えた場合に得られる電子線の傾きを計算した結果を示す。なお、電子線１１５の傾きは、従来のＳＥ電子源２０１で、Ｔ＝１５０μｍとした場合の電子線１１５の傾きと比較し、パーセンテージで示した。その他の計算に用いた条件は図１０と同じである。
【0114】
【0115】
θ＝９０°の条件において、電子線１１５の傾きを従来の９０％となるＬは約２１１０μｍである。その他のθでは、テーパー面３０６が作る電界は弱くなるため、９０％の傾きを得るためには、Ｌをこの値よりも小さくする必要がある。従って、いずれの角度であっても、９０％以下の電子線の傾きを得るためには、Ｌを２１１０μｍ以下にする必要がある。
【0116】
同様に、θ＝９０°の条件において、電子線１１５の傾きを従来の５０％にするＬは約１４５０μｍである。従って、いずれの角度であっても、５０％以下の電子線の傾きを得るためには、Ｌを１４５０μｍ以下にする必要がある。
【0117】
同様に、θ＝９０°の条件において、電子線１１５の傾きを０％にするＬは１１３０μｍである。従って、いずれの角度であっても、０％の電子線の傾きを得るためには、Ｌを１１３０μｍ以下にする必要がある。
【0118】
図１１Ｂは、図１１Ａの縦軸をｌｏｇθとした図である。θの単位は度（°）、Ｌの単位はμｍであり、９０％、５０％、０％、－５０％、－９０％の線は、縦軸をｌｏｇθとすることにより以下のそれぞれの二次関数で近似される。
【0119】
９０％、５０％、０％、－５０％、－９０％の線は、順に、以下のように表される。
ｌｏｇθ＝２．６９×１０－７×Ｌ２＋３．６４×１０－４×Ｌ－２．２１×１０－２
ｌｏｇθ＝４．６２×１０－７×Ｌ２＋１．７０×１０－４×Ｌ＋０．７４
ｌｏｇθ＝６．９２×１０－７×Ｌ２－６．９４×１０－６×Ｌ＋１．０８
ｌｏｇθ＝９．８８×１０－７×Ｌ２－２．２５×１０－４×Ｌ＋１．３１
ｌｏｇθ＝１．２７×１０－６×Ｌ２－４．１８×１０－４×Ｌ＋１．４５
ｌｏｇθ＝２．６９×１０－７×Ｌ２＋３．６４×１０－４×Ｌ－２．２１×１０－２
ｌｏｇθ＝４．６２×１０－７×Ｌ２＋１．７０×１０－４×Ｌ＋０．７４
ｌｏｇθ＝６．９２×１０－７×Ｌ２－６．９４×１０－６×Ｌ＋１．０８
ｌｏｇθ＝９．８８×１０－７×Ｌ２－２．２５×１０－４×Ｌ＋１．３１
ｌｏｇθ＝１．２７×１０－６×Ｌ２－４．１８×１０－４×Ｌ＋１．４５
【0120】
したがって、実施例２のサプレッサ電極３０５を用いたＳＥ電子源１０１において、突き出し長さＴが１５０μｍの場合は、上記式で囲まれた範囲内のＬとθを用いて設計するのが一つの指針となる。例えば、電子線の傾きを従来の９０％から－９０％に低減する場合には、上記の９０％と－９０％の場合の式を用いて、２．６９×１０－７×Ｌ２＋３．６４×１０－４×Ｌ－２．２１×１０－２≦ｌｏｇθ≦１．２７×１０－６×Ｌ２－４．１８×１０－４×Ｌ＋１．４５の関係を満たすように設計すればいい。
【0121】
また、後述するように突き出し長さＴと許容されるＬとの範囲は比例関係がある。このため、Ｔが１５０μｍから２５０μｍまでの間のＬとθの適切な範囲は、図８と図１１で示した範囲の中間の領域にある。実施例２では、一つの閾値として、Ｔが２００μｍよりも小さい場合、図１１で示した範囲内のＬとθを用いる。この範囲であれば、Ｔが２００μｍよりも小さい場合であっても、およそ従来よりも電子線の傾きを低減できる。
【0122】
次に、図１２を用いて、実施例２のＳＥ電子源１０１において、突き出し長さＴを３５０μｍにした場合の適切なＬとθの関係を説明する。図１２Ａに、実施例２のサプレッサ電極３０５を用いたＳＥ電子源１０１において、Ｔ＝３５０μｍの条件において、Ｌとθを変えた場合に得られる電子線の傾きを計算した結果を示す。なお、電子線１１５の傾きは、従来のＳＥ電子源２０１において、Ｔ＝３５０μｍにした場合の電子線１１５の傾きと比較し、パーセンテージで示した。その他の計算に用いた条件は図１０と同じである。
【0123】
【0124】
θ＝９０°の条件において、電子線１１５の傾きを従来の９０％にするＬは約２８１０μｍである。その他のθでは、テーパー面３０６が作る電界が弱くなるため、９０％の傾きを得るためには、Ｌをこの値よりも小さくする必要がある。従って、いずれの角度であっても、９０％以下の電子線の傾きを得るためには、Ｌを２８１０μｍ以下にする必要がある。
【0125】
同様に、θ＝９０°の条件において、電子線１１５の傾きを従来の５０％にするＬは約２２７０μｍである。従って、いずれの角度であっても、５０％以下の電子線の傾きを得るためには、Ｌを２２７０μｍ以下にする必要がある。
【0126】
同様に、θ＝９０°の条件において、電子線１１５の傾きを０％にするＬは１９９０μｍである。従って、いずれの角度であっても、０％の電子線の傾きを得るためには、Ｌを１９９０μｍ以下にする必要がある。
【0127】
図１２Ｂは、図１２Ａの縦軸をｌｏｇθとした図である。θの単位は度（°）、Ｌの単位はμｍであり、９０％、５０％、０％、－５０％、－９０％の線は、縦軸をｌｏｇθとすることにより以下のそれぞれの二次関数で近似される。
【0128】
９０％、５０％、０％、－５０％、－９０％の線は、順に、以下のように表される。
ｌｏｇθ＝２．５９×１０－７×Ｌ２＋１．８２×１０－４×Ｌ－６．０４×１０－１
ｌｏｇθ＝３．３２×１０－７×Ｌ２＋５．０７×１０－５×Ｌ＋１．２６×１０－１
ｌｏｇθ＝４．１２×１０－７×Ｌ２－８．０１×１０－５×Ｌ＋４．７５×１０－１
ｌｏｇθ＝４．６２×１０－７×Ｌ２－１．４９×１０－４×Ｌ＋６．７６×１０－１
ｌｏｇθ＝５．１５×１０－７×Ｌ２－２．２９×１０－４×Ｌ＋８．１０×１０－１
ｌｏｇθ＝２．５９×１０－７×Ｌ２＋１．８２×１０－４×Ｌ－６．０４×１０－１
ｌｏｇθ＝３．３２×１０－７×Ｌ２＋５．０７×１０－５×Ｌ＋１．２６×１０－１
ｌｏｇθ＝４．１２×１０－７×Ｌ２－８．０１×１０－５×Ｌ＋４．７５×１０－１
ｌｏｇθ＝４．６２×１０－７×Ｌ２－１．４９×１０－４×Ｌ＋６．７６×１０－１
ｌｏｇθ＝５．１５×１０－７×Ｌ２－２．２９×１０－４×Ｌ＋８．１０×１０－１
【0129】
したがって、実施例２のＳＥ電子源１０１において、突き出し長さＴが３５０μｍの場合は、上記式で囲まれた範囲内のＬとθを用いて設計するのが一つの指針となる。例えば、電子線の傾きを従来の９０％から－９０％に低減する場合には、上記の９０％と－９０％の場合の式を用いて、２．５９×１０－７×Ｌ２＋１．８２×１０－４×Ｌ－６．０４×１０－１≦ｌｏｇθ≦５．１５×１０－７×Ｌ２－２．２９×１０－４×Ｌ＋８．１０×１０－１の関係を満たすように設計すればいい。
【0130】
Ｔが２５０μｍから３５０μｍまでの間のＬとθの適切な範囲は、図８と図１２で示した範囲の中間の領域にある。実施例２では、一つの閾値として、Ｔが３００μｍよりも大きい場合、図１２で示した範囲内のＬとθを用いる。この範囲であれば、Ｔが３００μｍよりも大きい場合であっても、およそ従来よりも電子線の傾きを低減できる。
【0131】
以上のような計算を行い、実施例２のサプレッサ電極３０５を用いたＳＥ電子源１０１において、突き出し長さＴを変えた場合に電子線１１５の傾きの量が許容されるためのＬの最大値を求めると以下のようになる。図１３に、突き出し長さＴ＝１５０μｍから３５０μｍにおいて、θ＝９０°の条件で、従来と比べて、電子線の傾きを９０％、５０％、０％にするためのＬの値を示す。
【0132】
θ＝９０°以外のその他のθでは、テーパー面３０６が作る電界は弱くなり、Ｌをさらに短くする必要がある。従って、図１３に示したＬは各パーセンテージの電子線１１５の傾きを得るために許される最大限のＬとなる。いずれのパーセンテージの線であっても、ＬとＴとは直線的な関係となり、Ｔに比例してＬも大きくなる。このため、上記で計算した以外の突き出し長さであっても、適切な範囲を知ることができる。
【0133】
突出し長さ３５０μｍにおいて、従来の９０％以下の傾きにするためには、図１２で示したように、少なくともＬを２８１０μｍ以下にする必要がある。また、このＬの値以下であれば突き出し長さが３５０μｍより短い場合であっても、電子線の傾きを９０％以下にすることができる。また、図１３に示したＴとＬはほぼ直線の関係で近似できることから、その他の言い方をすれば、電子線の傾きが９０％になる直線の近似式であるＬ≦３．５３Ｔ＋１６０７を満たすＬとＴの関係であれば、電子線の傾きを９０％以下にすることができる。ここで、ＬとＴの単位はμｍである。
【0134】
同様に、突出し長さ３５０μｍにおいて、従来の５０％以下の傾きにするためには、図１２で示したように少なくともＬを２２７０μｍ以下にする必要がある。また、このＬの値以下であれば突き出し長さが３５０μｍより短い場合であっても、電子線の傾きを５０％以下にすることができる。その他の言い方をすれば、電子線の傾きが５０％になる直線の近似式であるＬ≦４．１０Ｔ＋８６１を満たすＬとＴの関係であれば、電子線の傾きを５０％以下にすることができる。
【0135】
さらに同様に、突出し長さ３５０μｍにおいて、従来の０％の傾きにするためには、図１２で示したように少なくともＬを１９９０μｍ以下にする必要がある。また、このＬの値以下であれば突き出し長さが３５０μｍより短い場合であっても、電子線の傾きを０％にすることができる。その他の言い方をすれば、電子線の傾きが０％になる直線の近似式であるＬ≦４．２９Ｔ＋５２２を満たすＬとＴの関係であれば、電子線の傾きを０％にすることができる。
【0136】
以上の結果をまとめると、電子線の傾きの量を少なくとも１０％低減させる、すなわち９０％以下の量に低減させるためには突き出し長さＴ＝３５０μｍの場合に直径Ｌを２８１０μｍ以下にする必要があることがわかった。そして、このＬの値以下であれば突き出し長さが３５０μｍより短い場合であっても、電子線の傾きを９０％以下にすることができることがわかった。また、上述のように、チップ２０２の突き出し長さＴは、典型的には１５０～３５０μｍ程度で用いられることが多い。そこで、平面２０５（前方端部２１３）の直径Ｌを２８１０μｍ以下とすることを一つの指針として得ることができた。
【実施例3】
【0137】
実施例２では、チップ２０２の突き出し長さＴが異なる条件において、サプレッサ電極３０５にテーパー面３０６を設けることで、軸ずれ時に電子線が曲げられるのを防ぐ構成を示した。実施例３では、その他の後退面の一例として、ステップ状の段を用いた構成とする。
【0138】
図１４に、実施例３のＳＥ電子源５０１の構成を示す。実施例３ではサプレッサ電極３０５の下面にステップ状の段５０２を設けた。すなわち、前方端部２１３（平面２０５）の直径をＬとして、中心軸Ｚの近傍に、角部５０３においてθ＝９０°となるステップ状の段５０２を設け、角部５０３、段５０２、平面部５０４で後退部２１２を形成した。ステップ状の段５０２は実施例１と実施例２において、テーパー部３０６のテーパー角度θをθ＝９０°にした状態に相当する。上述したように、軸ずれ時に後退部２１２の後退面すなわちテーパー部３０６が作る電界は、θを大きくするほど強くなる。従って、テーパー面３０６と比べて、ステップ状の段５０２を用いることでＬを大きくできる利点がある。なお、実施例３のサプレッサ電極は、テーパー角度９０°の面（段）５０２とテーパー角度０°の平面５０４をもつテーパー形状と考えることもできる。
【0139】
また、ステップ状の段５０２のうち、平面２０５と接続する角部５０３には、引出電圧によって電界が集中し、放電する可能性がある。このため、角部５０３は面取りやコーナーＲ加工をしても良い。
【実施例4】
【0140】
実施例３では、サプレッサ電極３０５に設けるその他の後退面の一例として、ステップ状の段を用いた構成を説明した。実施例４では、その他の後退面の一例として、楔型形状の面を用いた構成とする。
【0141】
図１５に、実施例４のＳＥ電子源５０５の構成を示す。実施例４ではサプレッサ電極３０５の下面に楔型形状の面５０６を設けた。楔型形状の面５０６は、実施例１と実施例２において、テーパー部３０６のテーパー角度θをθ＞９０°にした状態に相当する。本構成でも、軸ずれ時に逆向きの電界を発生させて、電子線の曲がりを抑制することができる。特に、楔型形状の面５０６の頂点５０７に電界が集中することで、ここに多くの電荷が発生し、電子線１１５の曲がりを効果的に抑制することができる。しかし、その反面、頂点５０７には、実施例３で示した角部５０３よりもさらに大きな電界が印加され、放電する可能性がさらに大きくなる。このため、好適にはθ≦９０°であることが望ましい。
【実施例5】
【0142】
実施例４では、サプレッサ電極３０５に設けるその他の後退面の一例として、楔型形状の面を用いた構成を説明した。実施例５では、サプレッサ電極３０５に設けるその他の後退面の一例として、曲面を用いた構成とする。
【0143】
図１６に実施例５のＳＥ電子源５１０の構成を示す。実施例５ではサプレッサ電極３０５の下面に曲面５１１を設けた。すなわち、サプレッサ電極３０５の中心軸Ｚを通る断面（図１６の斜線部）において、曲線部分５１１を持つ構造とした。以下、この断面上の曲線部を単に曲線部、または曲面と称する。この曲面５１１は、他の表現によれば、中心軸に垂直な面となす角（テーパー角）が連続的に変化する曲面部分と表現できる。後退面が曲線部（曲面）であっても、サプレッサ電極の前方端部２１３（平面２０５）よりもチップ２０２の先端からＺ方向に遠ざかる面であり、後退している。この結果、軸ずれ時は、図５Ｄで示した正電荷４１０と負電荷４１１が、曲面５１１に発生し、同様の原理で電子線の曲がりを防止できる。実施例５の場合の平面２０５の直径Ｌは、曲線部（曲面）５１１が開始する位置での直径となる。
【0144】
曲線部（曲面）５１１は、球や楕円、または任意の非球面であっても良い。上記のように曲線部（曲面）５１１は連続する微小な角度の変化をもつテーパー部分を無数に組み合わせた面とみなせる。このため、曲線部（曲面）５１１上のいずれかの位置における直径を新たにＬ’とみなし、その位置での傾きの角度を新たなθ’とみなした場合、少なくとも一点以上のＬ’とθ’を図８、ないしは、図１１、図１２のどれかに示した範囲内に含めることで、所望の電子線１１５が曲がるのを防止する効果が得られる。曲線部（曲面）５１１は角部をもたないことから、電界集中が緩和され、放電する危険性が少なくなる利点がある。
【実施例6】
【0145】
実施例５では、サプレッサ電極３０５に設けるその他の後退面の一例として、断面上の曲線部（曲面）を用いた構成を説明した。実施例６では、サプレッサ電極３０５に設けるその他の後退面の一例として、複数のテーパー面や段を組み合わせた構成とする。
【0146】
図１７に、実施例６のＳＥ電子源５１５の構成を示す。実施例６ではサプレッサ電極３０５の下面にテーパー面５１６とテーパー面５１７、及びステップ状の段５１８を設け、複数の異なるテーパー角を持つ部分を備える構成とした。複数のテーパー面や段、曲面を組み合わせても、軸ずれ時にこれらの面が逆向きの電界を作ることで、電子線１１５の曲がりを防止できる。逆向きの電界は、テーパー面５１６とテーパー面５１７、及びステップ状の段５１８が作る電界の和となる。それぞれの面の開始位置をＬ１、Ｌ２、Ｌ３、傾きの角度をθ１、θ２、θ３とすると、Ｌ１とθ１、Ｌ２とθ２、Ｌ３とθ３の組み合わせの少なくとも一つ以上が、図８、ないしは、図１１、図１２に示したＬとθの範囲内に含まれることで、所望の電子線が曲がるのを防止する効果が得られる。なお、テーパー面や段の組み合わせは、さらに数を増やしても良く、テーパー面や段は、曲面や楔型形状の面におきかえても良い。
【実施例7】
【0147】
実施例６では、サプレッサ電極３０５に設けるその他の後退面の一例として、複数のテーパー面や段を組み合わせた構成を説明した。実施例７では、サプレッサ電極３０５に設けるその他の後退面の一例として、単一のテーパー面の構成を採用する。
【0148】
図１８に実施例７のＳＥ電子源５２０の構造を示す。実施例７ではサプレッサ電極３０５の下面に単一のテーパー面３０６を設けた。この実施例７の構成では、図４に示した平面２０５はない。これは、実施例１と実施例２において、Ｌ＝ｄ＝４００μｍにした状態に相当する。この条件において、Ｌとθの関係、ＬとＴの関係を実施例１、実施例２に記載した関係を満たすように設計することで、電子線１１５の曲がりを効果的に抑制するサプレッサ電極３０５を得ることができる。
【0149】
本構成は、サプレッサ電極３０５の下面の加工が単純となるため、製造コストを低減できる利点がある。しかし、上述したように、テーパー面３０６の先端５２１に電界が集中し、放電する危険性がある。また、前述したように組み立て時にチップ２０２の突き出し長さＴの調整が難しくなる。その他に、図９に示したように、必要なサプレッサ電圧が上昇する。このため、その他の設計事項が許す限りは、実施例１のように平面２０５を設ける形状の方が望ましい。
【0150】
以上、本発明における実施の形態について具体的に説明したが、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能なものである。例えば、図６から図１３に示した計算結果についても、計算条件は一例でありこれに限るものではない。また、本発明はサプレッサ電極３０５の形状が電子線１１５に作用することで効果を発現する。従って、本発明の実施例における電子源１０１やチップ２０２は、実施例で記載したＳＥ電子源のものに限定するものではなく、ＣＦＥ電子源や、熱電子源、光励起電子源などの、異なる方式の電子源やチップ、イオン源であってもよい。これらの電子源やチップ、イオン源であっても、本発明の実施例と同様のサプレッサ電極を搭載することで同様の作用、効果を得ることができる。また、チップ２０２の材料はタングステンに限らず、ＬａＢ６，ＣｅＢ６、カーボン系材料など、その他の材料でもよい。また、本発明の実施例に記載した電子源をＸ線源のターゲットに照射してＸ線を放出させるＸ線源として使用することも可能である。その他、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために一例について詳細に説明したものであり、説明した構成を備えるものに限定されるものではない。例えば、電子顕微鏡の例として走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）の例について説明したが、これに限定せず、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）、走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）などの他の各種電子顕微鏡、荷電粒子線装置に適用できる。試料から発生する信号についても、電子（二次電子、反射電子等）の場合に限らず、特性Ｘ線を検出するものであってもよい。また、荷電粒子線装置としては、電子顕微鏡のみではなく電子線を用いた電子線描画装置やＸ線顕微鏡、ＣＴ、またはイオン顕微鏡等にも適用できる。さらにまた、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えたり、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えたりすることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。
【符号の説明】
【0151】
１０１…ＳＥ電子源、１０２…引出電極、１０３…加速電極、１０４…電子銃、１０９…ターボ分子ポンプ、１１０…コンデンサレンズ、１１１…対物レンズ、１１２…試料、１１３…試料室、１１４…検出器、１１５…電子線、１１６…碍子、１１８…非蒸発ゲッターポンプ、１２０…イオンポンプ、１２１…イオンポンプ、１２２…イオンポンプ、１２５…筒体、１２６…第一真空室、１２７…第二真空室、１２８…第三真空室、２０１…従来のＳＥ電子源、２０２…チップ（電子放出材である単結晶線）、２０３…従来のサプレッサ電極、２０４…開口部、２０５…平面（底面）、２０６…フィラメント、２０７…端子、２０８…碍子、２０９…面取り部、２１０…円筒面、２１２…後退部（面）、２１３…前方端部、２１４…後方端部、３０１…電界、３０２…軸ずれベクトル、３０５…サプレッサ電極、３０６…テーパー面（部）、３０７…角部、４０１…正電荷、４０２…負電荷、４０３…電気力線、４０４…正電荷、４０５…負電荷、４０６…空間領域、４０７…空間領域、４０８…電気力線、４１０…正電荷、４１１…負電荷、４１２…電気力線、４１３…空間領域、４１４…空間領域、４２０…正電荷、４２１…負電荷、４２２…負電荷、４２３…負電荷、４２４…正電荷、５０１…ＳＥ電子源、５０２…段、５０３…角部、５０４…平面、５０５…ＳＥ電子源、５０６…楔型形状の面、５０７…頂点、５１０…ＳＥ電子源、５１１…曲面、５１５…ＳＥ電子源、５１６…テーパー面、５１７…テーパー面、５１８…段、５２０…ＳＥ電子源、５２１…先端
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図4】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図5D】
【図6A】
【図6B】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図8A】
【図8B】
【図9】
【図10】
【図11A】
【図11B】
【図12A】
【図12B】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】